(57)【要約】【課題】より安定的でより高い走行制御性を有する清掃装置を提供すること。【解決手段】清掃装置１００は、被清掃面ＳＦを清掃する、被清掃面ＳＦと交差する回転軸１０Ｘを有する回転ブラシ１０と、回転ブラシ１０を支持するフレーム２０と、回転ブラシ１０による被清掃面ＳＦの清掃中に被清掃面ＳＦに対してフレーム２０が回転するのを防止する回転防止機構３０と、被清掃面ＳＦに回転ブラシ２０が接触するよう被清掃面ＳＦ上でフレーム２０を支持する支持体３０と、被清掃面ＳＦ上でフレーム２０を移動させる移動機構３０と、移動機構３０を制御する制御部４０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被清掃面を清掃する、該被清掃面と交差する回転軸を有する回転ブラシと、
前記回転ブラシを支持するフレームと、
前記回転ブラシによる前記被清掃面の清掃中に前記被清掃面に対して前記フレームが回転するのを防止する回転防止機構と、
前記被清掃面に前記回転ブラシが接触するよう前記被清掃面上で前記フレームを支持する支持体と、
前記被清掃面上で前記フレームを移動させる移動機構と、
前記移動機構を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする清掃装置。
【請求項２】
前記回転ブラシの回転軸と前記被清掃面との間の角度を変化させる傾斜機構を更に有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の清掃装置。
【請求項３】
前記支持体は、前記移動機構を兼ねる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の清掃装置。
【請求項４】
前記支持体は、前記回転防止機構を兼ねる、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の清掃装置。
【請求項５】
前記支持体は、車輪である、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の清掃装置。
【請求項６】
前記移動機構の推進力は、前記回転ブラシが前記被清掃面から受ける反力と、前記支持体としての前記車輪が前記被清掃面から受ける反力とを含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の清掃装置。
【請求項７】
前記車輪は、メカナムホイール又はオムニホイールである、
ことを特徴とする請求項５に記載の清掃装置。
【請求項８】
前記傾斜機構は、ジンバル機構である、
ことを特徴とする請求項２に記載の清掃装置。
【請求項９】
前記オムニホイールは、一の円の円周上で等間隔に３つ以上配置される、
ことを特徴とする請求項７に記載の清掃装置。
【請求項１０】
前記メカナムホイールは、４つ以上配置される、
ことを特徴とする請求項７に記載の清掃装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転ブラシを有する清掃装置に関し、特に、被清掃面と交差する回転軸を有する回転ブラシを備えた清掃装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ジンバル機構を介してロボット本体に取り付けられる二つの回転ブラシを備えた全方向移動床磨きロボットが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
この床磨きロボットは、電動モータを用いてそれら二つの回転ブラシの回転方向とそれぞれの回転軸の床面に対する傾斜角とを制御し、その回転方向とその傾斜角とに応じて変化するそれら二つの回転ブラシと床面との間の摩擦反力を利用することによって床面を磨きながら所望の方向に移動することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】布施  嘉裕、外２名、「全方向移動床磨きロボットへの非干渉ＰＩＤ制御の適用」、２００９年７月、日本ロボット学会誌、Vol.27 No.6 p.679-684
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１の床磨きロボットは、二つの回転ブラシのみでロボット本体を支持するため、姿勢が不安定になりやすいという問題がある。
【０００６】
また、非特許文献１の床磨きロボットは、二つの回転ブラシと床面との間の摩擦反力のみを利用することによって移動するため、回転ブラシの消耗度合い、床面の凹凸（例えば、点字ブロックやタイルの溝である。）、及び床面の摩擦係数等の変化の影響を受け易く、走行制御性が悪いという問題がある。
【０００７】
上述の問題に鑑み、本発明は、より安定的でより高い走行制御性を有する清掃装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の目的を達成するために、本発明の実施例に係る清掃装置は、被清掃面を清掃する、該被清掃面と交差する回転軸を有する回転ブラシと、前記回転ブラシを支持するフレームと、前記回転ブラシによる前記被清掃面の清掃中に前記被清掃面に対して前記フレームが回転するのを防止する回転防止機構と、前記被清掃面に前記回転ブラシが接触するよう前記被清掃面上で前記フレームを支持する支持体と、前記被清掃面上で前記フレームを移動させる移動機構と、
前記移動機構を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上述の手段により、本発明は、より安定的でより高い走行制御性を有する清掃装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第一実施例に係る清掃装置の概略図である。
【図２】オムニホイールの典型例を示す図である。
【図３】図１の清掃装置の機能ブロック図である。
【図４】移動制御部による清掃装置の移動の例を示す図（その１）である。
【図５】移動制御部による清掃装置の移動の例を示す図（その２）である。
【図６】図１の清掃装置を特定の方向に移動させる際の移動機構による推進力、及び、清掃装置の移動速度の推移を説明する図である。
【図７】第二実施例に係る清掃装置の概略図である。
【図８】メカナムホイールの典型例を示す図である。
【図９】第三実施例に係る清掃装置の概略図である。
【図１０】第四実施例に係る清掃装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第一実施例に係る清掃装置１００の概略図であり、図１（Ａ）は、上面図を示し、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の矢印ＩＢ方向から見た側面図を示し、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の矢印ＩＣ方向から見た側面図を示す。なお、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）における斜線ハッチングで表される部分は、後述の傾斜軸２３Ｘ、２４Ｘを含む鉛直面での部分的な断面を示す。
【００１３】
清掃装置１００は、主に、回転ブラシ１０、フレーム２０、支持体３０、及び制御部４０で構成される。
【００１４】
回転ブラシ１０は、被清掃面（床面）ＳＦを清掃する部材であり、被清掃面ＳＦと交差する回転軸１０Ｘを有する。また、回転ブラシ１０は、主に、ブラシ部１１、ブラシ保持部１２、及び回転駆動部１３で構成される。
【００１５】
本実施例において、ブラシ部１１は、上面視で円形であり、例えば、天然繊維、化学繊維、スポンジ、ゴム等で形成される。なお、ブラシ部１１の上面視は、矩形、楕円形、多角形等の他の形状であってもよい。
【００１６】
ブラシ保持部１２は、ブラシ部１１を保持するための部材であり、ブラシ部１１と共に回転する。
【００１７】
回転駆動部１３は、ブラシ保持部１２を回転させるための部材であり、例えば電動モータを含み、その駆動軸がブラシ保持部１２に結合され、その非回転部（本体部）がフレーム２０に接続される。
【００１８】
フレーム２０は、回転ブラシ１０を支持する部材であり、主に、内側リング部２１、外側リング部２２、第一シャフト部２３、第二シャフト部２４、及び支持体取付部２５で構成される。
【００１９】
内側リング部２１、外側リング部２２、第一シャフト部２３、及び第二シャフト部２４は、傾斜機構としてのジンバル機構を構成し、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘと床面ＳＦの垂線（鉛直軸）との間の角度を変化させることができる。
【００２０】
内側リング部２１は、第一シャフト部２３を介して回転ブラシ１０の本体部に接続され、傾斜軸２３Ｘ周りに回転ブラシ１０を傾斜させることができる。
【００２１】
外側リング部２２は、第二シャフト部２４を介して内側リング部２１に接続され、傾斜軸２４Ｘ周りに内側リング部２１ひいては回転ブラシ１０を傾斜させることができる。
【００２２】
このようにして、ジンバル機構は、傾斜軸２３Ｘ周りの傾斜と傾斜軸２４Ｘ周りの傾斜とを組み合わせ、鉛直軸に対して回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを任意の角度に傾斜させることができる。
【００２３】
本実施例において、フレーム２０は、上面視で円形であり、円の中心が回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘの位置と一致する。
【００２４】
支持体３０は、床面ＳＦに回転ブラシ１０のブラシ部１１が接触するよう床面ＳＦ上でフレーム２０を支持する部材である。
【００２５】
本実施例において、支持体３０は、回転ブラシ１０の周りに、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを中心とする円の円周上に等間隔（１２０度間隔）に３つ配置されるオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３の形をとる。なお、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３は、以下では、集合的にオムニホイール３１としても参照される。
【００２６】
「オムニホイール」とは、ホロノミックな全方向移動を可能にするホイールであり、例えば、回転方向に沿って複数のフリーローラが配置されたホイールがある。
【００２７】
図２は、オムニホイールの典型例を示す図であり、図２（Ａ）がオムニホイールＷＨの回転軸ＷＸ方向から見た図を示し、図２（Ｂ）が図２（Ａ）の矢印ＩＩＢ方向から見た図を示す。
【００２８】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）で示すように、オムニホイールＷＨは、２つ１組のホイールを有し、それら２つのホイールのそれぞれには、矢印ＡＲ１で示す回転方向に沿って円周上に６つの樽型のフリーローラＦＲが等間隔（６０度間隔）に配置される。また、一方のホイールにおけるフリーローラＦＲの配置と他方のホイールにおけるフリーローラＦＲの配置との間には３０度の位相差が存在する。なお、フリーローラＦＲのそれぞれの回転軸ＦＸは、オムニホイールＷＨの回転軸ＷＸに垂直である。
【００２９】
この構成により、オムニホイールＷＨは、自身が回転することによって、矢印ＡＲ１で示す回転方向の回転力を床面ＳＦに伝達するが、フリーローラＦＲが回転する方向に力が加えられた場合には、床面ＳＦからの摩擦反力を受けることがない。そのため、オムニホイールＷＨは、その回転軸方向にも抵抗なく移動することができる。
【００３０】
なお、本実施例では、オムニホイール３１は、回転方向に沿って円周上に３つのフリーローラを有する。
【００３１】
本実施例では、支持体３０は、回転ブラシ１０による床面ＳＦの清掃中に床面ＳＦに対してフレーム２０が回転するのを防止する回転防止機構としても機能する。
【００３２】
具体的には、支持体３０は、回転ブラシ１０と床面ＳＦとの間の摩擦反力によってフレーム２０が床面ＳＦに対して回転ブラシ１０の回転方向とは反対の方向に回転するのを防止するように、支持体３０を構成するオムニホイール３１の少なくとも一つで回転駆動力を発生させる。
【００３３】
また、本実施例では、支持体３０は、床面ＳＦ上でフレーム２０を移動させる移動機構としても機能する。
【００３４】
具体的には、支持体３０を構成するオムニホイール３１のそれぞれは、フレーム２０及び回転ブラシ１０を所望の方向に移動させるように回転駆動力を発生させる。
【００３５】
このように、本実施例における移動機構は、オムニホイール３１のそれぞれと回転ブラシ１０とで構成される。そのため、清掃装置１００は、回転ブラシ１０で床面ＳＦを磨きながら、支持体３０を構成するオムニホイール３１のそれぞれが発生させる床面ＳＦからの摩擦反力と、回転ブラシ１０が発生させる床面ＳＦからの摩擦反力とを利用して所望の方向に移動可能である。
【００３６】
制御部４０は、清掃装置１００の動きを制御するための部材であり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ(Random Access Memory)、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を備えたコンピュータである。
【００３７】
制御部４０は、例えば、入力部（図示せず。）を介して入力される操作者の指示に応じた方向に清掃装置１００を進行させるために、或いは、各種情報に基づいて自動的に導き出した方向に清掃装置１００を進行させるために、移動機構による移動を制御する。
【００３８】
具体的には、制御部４０は、回転ブラシ１０の回転方向、回転駆動力、傾斜方向、及び傾斜度を制御することによって回転ブラシ１０が床面ＳＦから受ける摩擦反力を制御し、また、オムニホイール３１のそれぞれの回転方向及び回転駆動力を制御することによってオムニホイール３１のそれぞれが床面ＳＦから受ける摩擦反力を制御する。
【００３９】
ここで、図３を参照しながら、制御部４０の詳細について説明する。なお、図３は、清掃装置１００の機能ブロック図の一例であり、制御部４０は、移動機構としての回転ブラシ１０、移動機構としてのオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３、並びに、傾斜機構としての第一シャフト部２３及び第二シャフト部２４のそれぞれに有線又は無線で接続される。
【００４０】
制御部４０は、移動制御部４１及び記憶部４２を備え、移動制御部４１に対応するプログラムをＲＯＭから読み出してＲＡＭ上に展開し、記憶部４２に記憶された情報に基づいて、移動制御部４１に対応する処理をＣＰＵに実行させる。
【００４１】
記憶部４２は、各種情報を記憶するための装置であり、例えば、ハードディスクやフラッシュメモリ等の不揮発性記憶媒体であって、清掃対象となる床面ＳＦの形状や大きさ等を記憶する清掃マップ４２０を記憶する。
【００４２】
清掃マップ４２０は、好適には、清掃対象となる床面ＳＦに応じて記憶部４２に予め記憶される情報であるが、レーザセンサ等を用いて清掃装置１００が清掃開始前或いは清掃中に自動的に生成するものであってもよい。
【００４３】
回転ブラシ１０、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３はそれぞれ、回転モータＲＭ０〜ＲＭ３、回転検出器ＲＳ０〜ＲＳ３を有する。
【００４４】
また、第一シャフト部２３及び第二シャフト部２４はそれぞれ、傾斜モータＴＭ１、ＴＭ２、傾斜検出器ＴＳ１、ＴＳ２を有する。
【００４５】
回転検出器ＲＳ０は、回転モータＲＭ０による回転ブラシ１０の回転の状態（回転方向、回転角度、回転速度等である。）を検出するための装置である。
【００４６】
同様に、回転検出器ＲＳ１〜ＲＳ３は、回転モータＲＭ１〜ＲＭ３によるオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３の回転の状態（回転方向、回転角度、回転速度等である。）を検出するための装置である。
【００４７】
傾斜検出器ＴＳ１は、傾斜モータＴＭ１による第一シャフト部２３の傾斜の状態（回転ブラシ１０の内側リング部２１に対する傾斜方向、傾斜角度、傾斜速度等である。）を検出するための装置である。
【００４８】
同様に、傾斜検出器ＴＳ２は、傾斜モータＴＭ２による第二シャフト部２４の傾斜の状態（内側リング部２１の外側リング部２２に対する傾斜方向、傾斜角度、傾斜速度等である。）を検出するための装置である。
【００４９】
回転検出器ＲＳ０〜ＲＳ３、傾斜検出器ＴＳ１、ＴＳ２は、例えば、レゾルバ、エンコーダ等であって、その検出値を回転状態情報、傾斜状態情報として所定のサンプリング周期で繰り返し制御部４０に対して出力する。
【００５０】
移動制御部４１は、清掃装置１００を自律的に動作させるための機能要素である。移動制御部４１は、記憶部４２から読み出した清掃マップ４２０と逆運動学とに基づいて、回転ブラシ１０、オムニホイール３１―１、３１−２、３１−３のそれぞれの目標回転状態（目標回転速度、目標回転方向等）、及び、第一シャフト部２３、第二シャフト部２４のそれぞれの目標傾斜状態（目標傾斜角度、目標傾斜方向等）を決定する。そして、移動制御部４１は、決定した目標回転状態及び目標傾斜状態に関する情報を含む制御信号を回転ブラシ１０、オムニホイール３１―１、３１−２、３１−３、第一シャフト部２３、第二シャフト部２４（以下、「制御対象」とする。）のそれぞれに対して出力する。
【００５１】
また、移動制御部４１は、制御対象のそれぞれが出力する回転状態情報及び傾斜状態情報を所定のサンプリング周期で受信し、制御対象のそれぞれが目標回転状態及び目標傾斜状態となるよう、制御対象のそれぞれを独立にフィードバック制御する。
【００５２】
図４及び図５は、移動制御部４１による清掃装置１００の移動の例を示す図であり、図４は、清掃装置１００を図の下方向に移動させる際の状態を示し、図５は、清掃装置１００を図の左方向に移動させる際の状態を示す。なお、図４（Ａ）は、図１（Ａ）の矢印ＩＢ方向から見た清掃装置１００の部分側面図であり、図５（Ａ）は、図１（Ａ）の矢印ＩＣ方向から見た清掃装置１００の部分側面図である。また、図４（Ａ）及び図５（Ａ）の斜線ハッチングで表される部分は、傾斜軸２３Ｘ、２４Ｘを含む鉛直面での部分的な断面を示す。また、図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、清掃装置１００の概略上面図を示す。
【００５３】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）で示されるように、図の下方向に清掃装置１００を移動させる場合、移動制御部４１は、回転ブラシ１０及び第一シャフト部２３のそれぞれに対して制御信号を出力し、回転ブラシ１０を回転軸１０Ｘの周りで所定の回転速度で反時計回りに回転させながら、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを傾斜軸２３Ｘの周りで角度αだけ傾斜させる。その結果、移動機構の一部としての回転ブラシ１０は、その外側の一部と床面ＳＦとの間に高摩擦領域ＨＦ１を形成し、その高摩擦領域ＨＦ１のところでその回転方向（反時計回り）と反対向き（時計回り）の摩擦反力を局所的に発生させることによって図の下方向を向く推進力を発生させる。なお、回転ブラシ１０は、傾斜させられた場合であっても、少なくとも回転ブラシ１０の底面の大部分が床面ＳＦと接触しているものとし、少なくとも回転ブラシ１０の底面の大部分で床面ＳＦを磨くことができるものとする。また、高摩擦領域ＨＦ１のところで発生する摩擦反力は、基本的には、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘの傾斜軸２３Ｘ周りの傾斜角が大きくなるにつれて増大する。一方で、回転ブラシ１０の回転は、その傾斜角の変化による影響をほとんど受けることはない。高摩擦領域ＨＦ１のところで発生する摩擦反力が増大する分、高摩擦領域ＨＦ１以外の領域のところで発生する摩擦反力が減少するためである。
【００５４】
また、移動制御部４１は、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３のそれぞれに対して制御信号を出力し、図の矢印ＡＲ２で示す方向にオムニホイール３１−１を回転させ、また、ＡＲ３で示す方向にオムニホイール３１−１と同じ回転速度でオムニホイール３１−３を回転させる。一方で、移動制御部４１は、オムニホイール３１−２を回転させないようにする。その結果、移動機構の一部としてのオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３は、全体として図の下方向を向く推進力を発生させる。なお、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３のそれぞれが発生させる駆動力の方向は、清掃装置１００の進行方向（図の下方向）と一致しないが、フリーローラの存在により、清掃装置１００が移動する際の抵抗となることはない。
【００５５】
また、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）で示されるように、図の左方向に清掃装置１００を移動させる場合、移動制御部４１は、回転ブラシ１０及び第二シャフト部２４のそれぞれに対して制御信号を出力し、回転ブラシ１０を回転軸１０Ｘの周りで所定の回転速度で反時計回りに回転させながら、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを傾斜軸２４Ｘの周りで角度βだけ傾斜させる。その結果、移動機構の一部としての回転ブラシ１０は、その外側の一部と床面ＳＦとの間に高摩擦領域ＨＦ２を形成し、その高摩擦領域ＨＦ２のところでその回転方向（反時計回り）と反対向き（時計回り）の摩擦反力を局所的に発生させることによって図の左方向を向く推進力を発生させる。なお、高摩擦領域ＨＦ２のところで発生する摩擦反力は、基本的には、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘの傾斜軸２４Ｘ周りの傾斜角が大きくなるにつれて増大する。
【００５６】
また、移動制御部４１は、オムニホイール３１−１、３１−２、３１−３のそれぞれに対して制御信号を出力し、図の矢印ＡＲ４で示す方向にオムニホイール３１−１を回転させ、ＡＲ６で示す方向にオムニホイール３１−１と同じ回転速度でオムニホイール３１−３を回転させる。また、移動制御部４１は、矢印ＡＲ５で示す方向に所定の速度でオムニホイール３１−２を回転させる。その結果、移動機構の一部としてのオムニホイール３１−１、３１−２、３１−３は、全体として図の左方向を向く推進力を発生させる。なお、オムニホイール３１−１、３１−３のそれぞれが発生させる駆動力の方向は、清掃装置１００の進行方向（図の左方向）と一致しないが、フリーローラの存在により、清掃装置１００が移動する際の抵抗となることはない。
【００５７】
清掃装置１００を他の方向に移動させる場合も同様に、移動制御部４１は、回転ブラシ１０、オムニホイール３１、第一シャフト部２３、及び第二シャフト部２４のそれぞれに対して制御信号を出力し、高摩擦領域のところで発生する摩擦反力と、オムニホイール３１が発生させる摩擦反力とを組み合わせて、清掃装置１００を移動させるための推進力を発生させる。
【００５８】
ここで、図６を参照しながら、清掃装置１００を特定の方向に移動させる際の移動機構による推進力、及び、清掃装置１００の移動速度の推移について説明する。
【００５９】
図６（Ａ）は、縦軸に推進力、横軸に時間軸を配し、移動機構による推進力の推移を点線で示す。また、図６（Ａ）の斜線ハッチング部分は、回転ブラシ１０が床面ＳＦから受ける摩擦反力による推進力を表し、図６（Ａ）の縦縞ハッチング部分は、オムニホイール３１が床面ＳＦから受ける摩擦反力による推進力を表す。
【００６０】
図６（Ｂ）は、縦軸に移動速度、横軸に時間軸を配し、清掃装置１００の移動速度の推移を実線で示す。なお、図６（Ｂ）の時間推移は、図６（Ａ）の時間推移に対応する。
【００６１】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）で示すように、制御部４０の移動制御部４１は、時刻ｔ１において、清掃装置１００を特定の方向に移動させるために、所定の推進力を発生させる。
【００６２】
具体的には、移動制御部４１は、清掃装置１００の目標移動速度Ｖｔを達成するために必要なオムニホイール３１のそれぞれの目標回転方向及び目標回転速度を決定する。
【００６３】
また、移動制御部４１は、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを鉛直軸に対して傾斜させ、高摩擦領域のところで回転ブラシ１０が床面ＳＦから受ける摩擦反力による推進力を発生させる。なお、回転ブラシ１０が発生させる推進力の方向は、清掃装置１００の移動方向と同じ方向である。
【００６４】
その後、移動制御部４１は、オムニホイール３１のそれぞれの現在の回転方向及び回転速度を取得して目標回転方向における目標回転速度との差を算出し、オムニホイール３１のそれぞれの目標回転速度を達成するために必要な回転駆動力をオムニホイール３１のそれぞれについて算出する。このように、移動制御部４１は、オムニホイール３１のそれぞれに対して速度制御に基づくトルク制御を実行する。なお、支持体３０としてのオムニホイール３１を回転防止機構として機能させる場合、移動制御部４１は、オムニホイール３１のそれぞれに対して零速度指令を実行し、回転ブラシ１０が受ける摩擦反力を打ち消す回転駆動力を発生させるようにする。
【００６５】
その後、移動制御部４１は、目標回転速度を達成するために必要な回転駆動力に関する情報を含む制御信号をオムニホイール３１のそれぞれに対して送信し、オムニホイール３１のそれぞれでその回転駆動力を発生させるようにする。
【００６６】
このように、移動制御部４１は、清掃装置１００を目標移動速度Ｖｔで移動させるために必要な移動機構による推進力と回転ブラシ１０による推進力との差に相当する推進力を、オムニホイール３１で発生させるようにする。すなわち、オムニホイール３１による推進力は、移動機構による所望の推進力を発生させる際に回転ブラシ１０による推進力のみでは不足する場合のその不足分を補う補完的な推進力である。
【００６７】
その結果、清掃装置１００の移動速度は、時刻ｔ１で上昇を開始し、時刻ｔ２で目標移動速度Ｖｔに達する。
【００６８】
移動制御部４１は、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて移動機構による推進力を所定の割合で上昇させ、時刻ｔ２において、目標移動速度Ｖｔに達した清掃装置１００を定速移動させるために必要な推進力Ｆ１まで、移動機構による推進力を減少させる。清掃装置１００を定速移動させる際に必要な移動機構による推進力は、清掃装置１００を加速させる際に必要な移動機構による推進力よりも小さくて済むからである。具体的には、移動制御部４１は、例えば、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘの鉛直軸に対する傾斜を小さくすることによって、移動機構による推進力を減少させる。
【００６９】
その後、移動制御部４１は、時刻ｔ３に至るまで移動機構による推進力を推進力Ｆ１のレベルで維持し、時刻ｔ３において、これまでとは逆向きの推進力（制動力）を発生させる。清掃装置１００を減速させながら停止させるためである。具体的には、移動制御部４１は、例えば、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘをこれまでとは逆の方向に傾斜させ、高摩擦領域のところで回転ブラシ１０が床面ＳＦから受ける摩擦反力による推進力（制動力）を発生させる。この場合、回転ブラシ１０が発生させる推進力（制動力）の方向は、清掃装置１００の移動方向とは逆の方向である。
【００７０】
その後、移動制御部４１は、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて移動機構による逆向きの推進力（制動力）を所定の割合で上昇させ、時刻ｔ４において、移動機構による推進力（制動力）を値ゼロまで瞬時に減少させる。
【００７１】
その結果、清掃装置１００の移動速度は、時刻ｔ３で下降を開始し、時刻ｔ４でゼロに達する。
【００７２】
以上の構成により、清掃装置１００は、オムニホイール３１による推進力をアシストする推進力として回転ブラシ１０による推進力を利用しながら移動するので、回転ブラシ１０を回転させるための回転駆動力を有効に活用でき、エネルギーの効率的な利用を図ることができる。その結果、清掃装置１００がバッテリ（図示せず。）で駆動される場合、その連続駆動時間を長くできる。
【００７３】
また、清掃装置１００は、オムニホイール３１による推進力によって、回転ブラシ１０及びオムニホイール３１を含む移動機構による推進力を高精度に制御するので、高い走行性御性を実現できる。具体的には、清掃装置１００は、回転ブラシ１０による推進力のみで移動する場合に比べ、推進力をより線形的に制御でき、また、移動に対する応答性が高く、ブラシ部１１の消耗による影響を吸収でき、床面ＳＦの凹凸や摩擦係数の変化による影響を受けにくい。
【００７４】
また、清掃装置１００は、オムニホイール３１のそれぞれの回転状態情報を取得するので、オドメトリを用いて自己位置を逐次推定することができる。
【００７５】
また、清掃装置１００は、支持体３０を用いてフレーム２０を支持するので、回転ブラシ１０のみでフレーム２０を支持する場合に比べ、姿勢が安定しやすく、ブラシ部１１に過度の負担をかけることもない。
【００７６】
また、清掃装置１００は、１つの回転ブラシ１０を利用する構成であるため、複数の回転ブラシを利用する構成に比べ小型、軽量、低コストであり、また、電力消費を低減させることができる。
【００７７】
また、清掃装置１００は、オムニホイール３１によるホロノミックな全方位移動が可能なため、二つのオムニホイールの間の部分を壁に接近又は接触させながら壁際に沿って移動することができ、壁際の清掃を行うのに有利となる。
【００７８】
なお、清掃装置１００は、本実施例では、清掃マップ４２０に基づいて自律的に移動しながら床面ＳＦの清掃を行うロボット型の清掃装置であるが、フレーム２０等から延びるコードに取り付けられた操作部を用いて操作者が手動で操作するものであってもよく、無線通信を介して操作者が遠隔操作するものであってもよい。
【００７９】
また、清掃装置１００は、本実施例では、直交する２つの傾斜軸２３Ｘ、２４Ｘのそれぞれに対して回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを傾斜可能な構成を採用するが、１つの傾斜軸のみに対して回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを傾斜可能な構成であってもよい。この場合、移動制御部４１は、回転ブラシ１０による推進力の方向が清掃装置１００の移動方向に一致するように、オムニホイール３１を駆動して回転ブラシ１０の向きを変えるようにする。さらに、清掃装置１００は、回転ブラシ１０を傾斜不能とする構成であってもよい。この場合、移動制御部４１は、回転ブラシ１０による推進力を利用することなく、専らオムニホイール３１による推進力を利用して清掃装置１００を移動させる。
【実施例２】
【００８０】
次に、図７及び図８を参照しながら、本発明の第二実施例に係る清掃装置１００Ａについて説明する。
【００８１】
清掃装置１００Ａは、矩形の外側リング部２２Ａと、外側リング部２２Ａに取り付けられる４つのメカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４の形をとる支持体３０Ａとを備える点で、円形の外側リング部２２と、３つのオムニホイール３１とを備える清掃装置１００と相違するが、その他の点で共通する。
【００８２】
そのため、第一実施例と同じ構成要素を同じ参照番号を用いて参照しながら、上述の相違点を詳細に説明する。
【００８３】
なお、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４は、以下では、集合的にメカナムホイール３１Ａとしても参照される。
【００８４】
図８は、メカナムホイールの典型例を示す図であり、図８（Ａ）がメカナムホイールＭＷＨの回転軸ＭＷＸ方向から見た図を示し、図８（Ｂ）が図８（Ａ）の矢印ＶＩＩＩＢ方向から見た図を示す。
【００８５】
図８（Ａ）及び図８（Ｂ）で示すように、メカナムホイールＭＷＨは、矢印ＡＲ７で示す回転方向に沿って円周上に１２個の樽型のフリーローラＭＦＲが等間隔（３０度間隔）に配置される。また、フリーローラＭＦＲのそれぞれの回転軸ＭＦＸは、メカナムホイールＭＷＨの回転軸ＭＷＸとの間に４５度の角度を形成する。
【００８６】
この構成により、メカナムホイールＭＷＨは、自身が回転することによって、矢印ＡＲ７で示す回転方向の回転力を床面ＳＦに伝達するが、フリーローラＭＦＲが回転する方向に力が加えられた場合には、床面ＳＦからの摩擦反力を受けることがない。そのため、メカナムホイールＭＷＨは、その回転軸ＭＷＸと４５度の角度を形成する方向にも大きな抵抗なく移動することができる。
【００８７】
以上の構成により、清掃装置１００Ａは、メカナムホイール３１Ａ−１〜３１Ａ−４のそれぞれの回転を制御することで、清掃装置１００と同様の効果を実現することができる。
【実施例３】
【００８８】
次に、図９を参照しながら、本発明の第三実施例に係る清掃装置１００Ｂについて説明する。
【００８９】
図９は、本発明の第三実施例に係る清掃装置１００Ｂの概略図であり、図９（Ａ）は、上面図を示し、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）の矢印ＩＸＢ方向から見た側面図を示し、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）の矢印ＩＸＣ方向から見た側面図を示す。なお、図９（Ｃ）における斜線ハッチングで表される部分は、後述の傾斜軸２３ＢＸを含む鉛直面での部分的な断面を示す。
【００９０】
清掃装置１００Ｂは、フレーム２０Ｂが、リング部２１Ｂ、シャフト部２３Ｂ、及び支持体取付部２５Ｂで構成され、リング部２１Ｂ及びシャフト部２３Ｂが１自由度の傾斜機構を構成する点で、２自由度の傾斜機構であるジンバル機構を含むフレーム２０を有する清掃装置１００と相違する。具体的には、リング部２１Ｂは、シャフト部２３Ｂを介して回転ブラシ１０の本体部に接続され、傾斜軸２３ＢＸ周りに回転ブラシ１０を傾斜させる。
【００９１】
また、清掃装置１００Ｂは、リング部２１Ｂに取り付けられる２つの駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ−３と、２つの従動輪３１Ｂ−２、３１Ｂ−４とで構成される支持体３０Ｂを備える点で、３つのオムニホイール３１で構成される支持体３０を備える清掃装置１００と相違する。具体的には、支持体３０Ｂは、回転ブラシ１０の周りに、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを中心とする円の円周上に等間隔（９０度間隔）に順番に４つ配置される駆動輪３１Ｂ−１、従動輪３１Ｂ−２、駆動輪３１Ｂ−３、及び従動輪３１Ｂ−４の形をとる。なお、２つの駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ−３と、２つの従動輪３１Ｂ−２、３１Ｂ−４とは、集合的に車輪３１Ｂとしても参照される。
【００９２】
なお、清掃装置１００Ｂは、その他の点で清掃装置１００と共通する。そのため、第一実施例と同じ構成要素を同じ参照番号を用いて参照しながら、上述の相違点を詳細に説明する。
【００９３】
駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ−３は、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを挟んで対称的に配置され、個別の回転モータ（図示せず。）によって独立に回転駆動される。
【００９４】
従動輪３１Ｂ−２、３１Ｂ−４は、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを挟んで対称的に配置されるキャスターであり、フレーム２０Ｂの移動方向又は回転方向に合わせて向きを変えることができ、駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ−３によるフレーム２０Ｂの移動、及び、回転軸１０Ｘ周りの超信地旋回等を補助する。
【００９５】
また、傾斜軸２３ＢＸは、駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ−３の回転軸と上面視で直交するように配置される。回転ブラシ１０を傾斜させたときの回転ブラシ１０による推進力の方向が、駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ−３による推進力の方向と平行になるようにするためである。
【００９６】
このようにして、支持体３０Ｂは、回転防止機構及び移動機構を兼ねる差動２輪機構を構成し、非ホロノミックな全方位移動を可能にする。
【００９７】
制御部４０の移動制御部４１は、制御対象である回転ブラシ１０、シャフト部２３Ｂ、駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ−３のそれぞれが出力する回転状態情報及び傾斜状態情報を所定のサンプリング周期で受信し、制御対象のそれぞれが目標回転状態及び目標傾斜状態となるよう、制御対象のそれぞれを独立にフィードバック制御する。
【００９８】
以上の構成により、清掃装置１００Ｂは、ホロノミックな全方向移動が可能な点を除き、清掃装置１００と同様の効果を実現することができる。
【００９９】
また、清掃装置１００Ｂは、回転ブラシ１０、シャフト部２３Ｂ、駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ―３のそれぞれを駆動する４つの電動モータを用いて構成されるので、６つの電動モータを用いる清掃装置１００よりも単純な構造を実現できる。
【実施例４】
【０１００】
次に、図１０を参照しながら、本発明の第四実施例に係る清掃装置１００Ｃについて説明する。
【０１０１】
図１０は、本発明の第四実施例に係る清掃装置１００Ｃの概略図であり、図１０（Ａ）は、上面図を示し、図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の矢印ＸＢ方向から見た側面図を示し、図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）の矢印ＸＣ方向から見た側面図を示す。
【０１０２】
清掃装置１００Ｃは、フレーム２０Ｃが、リング部２１Ｃ及び支持体取付部２５Ｃで構成され、傾斜機構を省略した点で、２自由度の傾斜機構であるジンバル機構を含むフレーム２０を有する清掃装置１００と相違する。具体的には、リング部２１Ｃは、回転ブラシ１０の本体部に直接的に接続され、回転ブラシ１０を傾斜不能とする。
【０１０３】
また、清掃装置１００Ｃは、リング部２１Ｃに取り付けられる２つの駆動輪３１Ｃ−１、３１Ｃ−３と、２つの従動輪３１Ｃ−２、３１Ｃ−４とで構成される支持体３０Ｃを備える点で、３つのオムニホイール３１で構成される支持体３０を備える清掃装置１００と相違する。具体的には、支持体３０Ｃは、回転ブラシ１０の周りに、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを中心とする円の円周上に等間隔（９０度間隔）に順番に４つ配置される駆動輪３１Ｃ−１、従動輪３１Ｃ−２、駆動輪３１Ｃ−３、及び従動輪３１Ｃ−４の形をとる。なお、２つの駆動輪３１Ｃ−１、３１Ｃ−３と、２つの従動輪３１Ｃ−２、３１Ｃ−４とは、集合的に車輪３１Ｃとしても参照される。
【０１０４】
なお、清掃装置１００Ｃは、その他の点で清掃装置１００と共通する。そのため、第一実施例と同じ構成要素を同じ参照番号を用いて参照しながら、上述の相違点を詳細に説明する。
【０１０５】
駆動輪３１Ｃ−１、３１Ｃ−３は、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを挟んで対称的に配置され、個別の回転モータ（図示せず。）によって独立に回転駆動される。
【０１０６】
従動輪３１Ｃ−２、３１Ｃ−４は、回転ブラシ１０の回転軸１０Ｘを挟んで対称的に配置されるキャスターであり、フレーム２０Ｃの移動方向又は回転方向に合わせて向きを変えることができ、駆動輪３１Ｃ−１、３１Ｃ−３によるフレーム２０Ｃの移動、及び、回転軸１０Ｘ周りの超信地旋回等を補助する。
【０１０７】
このようにして、支持体３０Ｃは、回転防止機構及び移動機構を兼ねる差動２輪機構を構成し、非ホロノミックな全方位移動を可能にする。
【０１０８】
制御部４０の移動制御部４１は、制御対象である回転ブラシ１０、駆動輪３１Ｃ−１、３１Ｃ−３のそれぞれが出力する回転状態情報を所定のサンプリング周期で受信し、制御対象のそれぞれが目標回転状態となるよう、制御対象のそれぞれを独立にフィードバック制御する。
【０１０９】
以上の構成により、清掃装置１００Ｃは、ホロノミックな全方向移動が可能な点、及び、車輪３１Ｃによる推進力をアシストする推進力として回転ブラシ１０による推進力を利用する点を除き、清掃装置１００と同様の効果を実現することができる。
【０１１０】
また、清掃装置１００Ｃは、回転ブラシ１０、駆動輪３１Ｂ−１、３１Ｂ―３のそれぞれを駆動する３つの電動モータを用いて構成されるので、６つの電動モータを用いる清掃装置１００よりも単純な構造を実現できる。
【０１１１】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなしに上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１１２】
例えば、上述の実施例において、清掃装置は、回転防止機構及び移動機構を兼ねる支持体を備えるが、回転防止機構を兼ねる支持体と移動機構とを別々に備えるようにしてもよく、移動機構を兼ねる支持体と回転防止機構とを別々に備えるようにしてもよく、支持体と回転防止機構と移動機構とを別々に備えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１０・・・回転ブラシ  １０Ｘ・・・回転軸  １１・・・ブラシ部  １２・・・ブラシ保持部  １３・・・回転駆動部  ２０・・・フレーム  ２１・・・内側リング部  ２１Ｂ、２１Ｃ・・・リング部  ２２、２２Ａ・・・外側リング部  ２３・・・第一シャフト部  ２３Ｂ・・・シャフト部  ２３Ｘ、２３ＢＸ・・・傾斜軸  ２４・・・第二シャフト部  ２４Ｘ・・・傾斜軸  ２５、２５Ｂ、２５Ｃ・・・支持体取付部  ３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ・・・支持体  ３１・・・オムニホイール  ３１Ａ・・・メカナムホイール  ３１Ｂ、３１Ｃ・・・車輪  ４０・・・制御部  ４１・・・移動制御部  ４２・・・記憶部  １００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ・・・清掃装置  ４２０・・・清掃マップ  ＲＭ０〜ＲＭ３・・・回転モータ  ＲＳ０〜ＲＳ３・・・回転検出器  ＳＦ・・・床面  ＴＭ１、ＴＭ２・・・傾斜モータ  ＴＳ１、ＴＳ２・・・傾斜検出器
【図１】
2013081659.tif 000003
【図２】
2013081659.tif 000004
【図３】
2013081659.tif 000005
【図４】
2013081659.tif 000006
【図５】
2013081659.tif 000007
【図６】
2013081659.tif 000008
【図７】
2013081659.tif 000009
【図８】
2013081659.tif 000010
【図９】
2013081659.tif 000011
【図１０】
2013081659.tif 000012